CHAPITRE VI : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL Electronique Analogique A. Aouaj

I/ Introduction L'amplificateur opérationnel est un composant actif (il est réalisé à partir de transistors). Pour fonctionner, il doit être polarisé à l'aide de deux tensions opposées (+V CC et – V CC ). L'AO est un circuit intégré monolithique (homogène). Il est constitué de trois parties : - Un amplificateur différentiel : il amplifie la différence des tensions d'entrées. - Un amplificateur intermédiaire : c'est un amplificateur de tension dont le gain est assez important. - Un amplificateur de sortie : c'est un amplificateur de puissance. Le signal amplifié à la sortie est sous une faible résistance Electronique Analogique A. Aouaj

Suivant le montage réalisé, il peut fonctionner en amplificateur (zone linéaire) ou en comparateur (zone de saturation). Le composant est symbolisé par : Dans la pratique, l'amplificateur opérationnel utilisé comme amplificateur est toujours associé à d'autres composants (résistances, capacités,…). Electronique Analogique A. Aouaj

AOP idéalAOP réel - Un gain A infini - Une résistance d'entrée R e infinie - Une résistance de sortie R s nulle - Un facteur de réjection  infini - Une bande passante infinie - Un gain A ~ 105 à R e ~ 100 k  à 1 M  - R s ~ 10  à 200  - Une bande passante ~ MHz (en petits signaux) Exemple : µA 741 : Il est sous forme d'un circuit intégré à 8 pattes. Electronique Analogique A. Aouaj

Son Schéma équivalent: Electronique Analogique A. Aouaj

II/ Etude statique Trois défauts de l'AOP : → Tension offset : tension de décalage → Courant de polarisation → Courant offset On dit qu'un AOP est correctement polarisé si la tension de sortie Vs est statiquement nulle. Electronique Analogique A. Aouaj

II-1/ Tension offset : V offset  _ + VSVS V E2 V E1 Si V E1 = V E2 → V S = A (V E1 – V E2 ) En réalité V S = A (V E1 – V E2 – V offset ) La tension V offset est la tension à appliquer entre les deux entrées pour obtenir une tension nulle à la sortie. Electronique Analogique A. Aouaj

II-2/ Courant de polarisation I P et courant offset I off On dispose à l'étage d'entrée de l'AOP de deux transistors donc de deux courants de base I B1 et I B2. Ces deux courants sont égaux si les deux transistors sont identiques. On appelle courant de polarisation la moyenne des deux courants de base à tension de sortie nulle: On appelle courant d'offset la différence entre ces deux courants de base à tension de sortie nulle: V offset ~ 0.5 mV à 10 mV Ordres de grandeur : I P ~ 10 nA à 10 µA I offset ~ 20 nA à 500 nA Electronique Analogique A. Aouaj

II-3/ Montage de polarisation Le montage de base de polarisation d'un amplificateur opérationnel est le suivant : VSVS I2I2 I1I1 I P2 I P1 R2R2  _ + R3R3 R1R1 V S = A (  – V offset )  = V + – V – V + = – R 1 I P1 V – = –R 2 I 1 I 1 = I P2 – I 2 I 2 = (V S – V – )/R 3 Electronique Analogique A. Aouaj

Si A est très grand, décalage sera minimum en sortie si : → 0→ 0 → 0 V offset → 0 Electronique Analogique A. Aouaj

III/ Etude dynamique Le montage en régime dynamique : v s = f (v e1, v e2 ) v e2 v e1 R4R4 vsvs R2R2 - + R3R3 R1R1 Electronique Analogique A. Aouaj

III-1/ Montage inverseur On met v e1 = 0 et on cherche v s = f (0, v e2 ) On suppose que l'AOP est idéal Si A est très grand v e2 R4R4 vsvs R2R2 - + R3R3 R1R1 Electronique Analogique A. Aouaj

III-2/ Montage non inverseur On met v e2 = 0 et on cherche v s = f (v e1, 0) Si A est très grand v e1 R4R4 vsvs R2R2 - + R3R3 R1R1 Pour avoir un équilibre statique on prend R 4 =R 1 //R 2 Electronique Analogique A. Aouaj

Le montage suiveur est un cas particulier du montage non inverseur Il peut être utilisé comme adaptateur d'impédance R 1 = R 4 =  R 2 = R 3 = 0 A v = 1 v e1 vsvs - + Electronique Analogique A. Aouaj

III-3/ Résistance d'entrée III-3-a/ Montage inverseur si A est grand R e = R 1 III-3-b/ Montage non inverseur R e = R 3 + R 4 Electronique Analogique A. Aouaj

III-4/ Impédance de sortie III-4-a/ Montage inverseur veve vsvs R2R2 - + R1R1 i i s0 isis  R2R2 R1R1 R e0 vsvs R s0 AA veve R e0 est la résistance d'entrée de l'AOP R s0 est la résistance de sortie de l'AOP La résistance de sortie de l'étage inverseur est définie par : Electronique Analogique A. Aouaj

On pose R' 1 = R 1 // R e0 i s = i + i s0 Si R e0 >>R 1 et R s0 petite Pour le LM741 R s0 = 150  et A = 10 5 → R s =0.003 . Electronique Analogique A. Aouaj

III-5/ Limitation de L'AOP III-5-a/ Limitation des tensions d'entrée Si la tension d'entrée est forte on aura : - Un effet de blocage - Une détérioration de l'étage différentiel d'entrée Les tensions d'entrée ne doivent jamais être supérieures à la tension d'alimentation de l'AOP III-5-b/ Limitation du courant de sortie Pour limiter les courants forts dans l'AOP, on peut utiliser le circuit suivant : R3R3 veve vsvs R2R2 - + R1R1 R R est faible et influe peu sur le gain Electronique Analogique A. Aouaj

IV/ Applications de l'AOP On suppose que l'AOP est idéal: A = ∞ et  = 0. IV-1/ Additionneur vsvs v e3 v e2 R R3R3 v e1 R2R2 - + R1R1 Electronique Analogique A. Aouaj

IV-2/ Intégrateur v e (t) = R i(t) v s (t) = u(t) i u veve vsvs C - + R Le montage effectue l'intégration du signal à un facteur d'échelle (–1/RC) en fonction du temps avec condition initiale v s (0). Electronique Analogique A. Aouaj

IV-3/ Dérivateur u(t) = v e (t) v s (t) = – R i(t) i u veve vsvs C - + R Le montage effectue donc une dérivation du signal à un facteur d'échelle (–RC). Electronique Analogique A. Aouaj